Основные концепции естествознания - страница 41

означает неизменность физических величин или свойств природных объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. В специальной теории относительности постулируется инвариантность законов природы и скорости света в вакууме. Законы природы и скорость света не изменяются в результате преобразований координат и времени, предложенных нидерландским физиком Х. А. Лоренцем (1853–1928) в 1904 г. (еще до появления специальной теории относительности), – преобразований, при которых уравнения Максвелла остаются инвариантными.

Специальная теория относительности включает два постулата:

1) принцип относительности: никакие опыты (механические, электрические, оптические), проведенные в данной инерциальной системе отсчета, не позволяют обнаружить, покоится ли эта система или движется равномерно и прямолинейно; все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы к другой;

2) принцип инвариантности скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета.

Специальная теория относительности выходит за рамки привычных классических представлений о пространстве и времени, которые носят не абсолютный, а относительный характер. Из специальной теории относительности следуют необычные пространственно-временные свойства, такие как относительность длин и промежутков времени, относительность одновременности событий.

Результатом развития специальной теории относительности является общая теория относительности, называемая иногда теорией тяготения. Из нее вытекает, что свойства пространства – времени зависят от поля тяготения. При переходе к космическим масштабам геометрия пространства – времени может изменяться от одной области к другой в зависимости от концентрации масс материальных объектов и их движения. В поле тяготения пространство – время обладает кривизной. Слабой кривизне соответствует обычная ньютоновская гравитация, которая определяет, например, движение планет Солнечной системы. Однако в сильных гравитационных полях, создаваемых массивными космическими объектами, искривление пространства – времени становится существенным. Если подобный объект совершает колебательное или вращательное движение, кривизна периодически изменяется. Распространение таких изменений в пространстве рождает гравитационные волны. Аналогично тому, как электромагнитная волна с квантово-механической точки зрения представляет собой поток фотонов, квантование гравитационной волны соответствует гравитону – частице с нулевой массой покоя. Ни гравитационные волны, ни гравитоны экспериментально не обнаружены. Прием гравитационных волн и обнаружение гравитонов – одно из направлений фундаментальных естественно-научных исследований гравитационно-волновой астрономии.

Свойства пространства, времени и законы сохранения. Для понимания свойств объектов природы и процессов весьма важен принцип инвариантности относительно смещения в пространстве и во времени. Это принцип формулируется следующим образом: смещение в пространстве и во времени не влияет на протекание физических процессов.

Инвариантность структуры, свойств, формы материального объекта относительно его преобразований называется симметрией. Например, пространственной симметрией обладает кристаллическая структура твердых тел. Симметрия кристаллов, т. е. закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключается в том, что кристалл можно совместить с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов и других преобразований. Симметрия свойств кристалла обусловливается симметрией его строения. Элементы симметрии присущи минералам, раковинам моллюсков, дикорастущим растениям и т. п.